一種C波段雷達(dá)云雨氣象干擾源檢測(cè)方法

曲圣杰， 高 越， 常 城

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

C波段雷達(dá)由于波長(zhǎng)更短，相對(duì)于S波段雷達(dá)在等同信噪比情況下測(cè)角精度可以提高1倍，而且保持了較好的穿透性，特別適合于對(duì)作用距離和精度同時(shí)要求較高的情況，譬如炮位偵校雷達(dá)。但由于C波段雷達(dá)特殊的波長(zhǎng)特性，容易受云雨氣象雜波影響，因此多用于氣象雷達(dá)[1]。

現(xiàn)代雷達(dá)由于復(fù)雜的電子對(duì)抗環(huán)境，抗干擾功能是必不可少的；對(duì)干擾源的正確檢測(cè)，不僅可以自適應(yīng)地調(diào)度雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾功能，而且可以通過(guò)將輔助波束對(duì)準(zhǔn)干擾源方向增加輔助波束的干噪比，從而提升系統(tǒng)的旁瓣對(duì)消抗干擾性能[2-3]。由于C波段雷達(dá)對(duì)云雨氣象雜波的敏感性，實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)經(jīng)常會(huì)把云雨雜波檢測(cè)為壓制干擾，從而錯(cuò)誤地調(diào)度了雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾功能，浪費(fèi)了雷達(dá)系統(tǒng)資源。

目前文獻(xiàn)中關(guān)于干擾源檢測(cè)與定向方面大量集中在通信領(lǐng)域以及欺騙式干擾方面[4-8]，結(jié)合工程實(shí)際探討云雨雜波環(huán)境下干擾源檢測(cè)定向的文獻(xiàn)非常少見(jiàn)。本文著重于研究并提高C波段雷達(dá)在云雨氣象環(huán)境下的適用性，通過(guò)一部俯仰向同時(shí)多波束、方位相掃體制的C波段雷達(dá)獲取的大量工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析云雨氣象雜波與有源壓制干擾在俯仰、方位維度的差異，提出了波位內(nèi)/波位間兩級(jí)干擾源檢測(cè)方法。該方法在保證真實(shí)有源壓制干擾被成功檢測(cè)的情況下，極大地抑制了云雨氣象雜波導(dǎo)致的虛假檢測(cè)。

1 云雨雜波引起干擾虛警問(wèn)題描述

有源壓制干擾的直接表現(xiàn)就是回波信號(hào)噪底異常抬高。所以對(duì)有源壓制干擾源的檢測(cè)中，最常見(jiàn)的方法就是在回波信號(hào)中選擇較為清潔的區(qū)域統(tǒng)計(jì)噪底，并將噪底與沒(méi)有干擾情況下的噪底值進(jìn)行比較，如果差值高于設(shè)定閾值，則認(rèn)為回波中存在有源壓制干擾，然后通過(guò)與匿隱天線接收的回波幅度比對(duì)，判斷干擾是否來(lái)自主瓣方向并進(jìn)行精確測(cè)向。在具備自適應(yīng)抗干擾功能的雷達(dá)系統(tǒng)中，會(huì)根據(jù)干擾源的檢測(cè)和測(cè)向結(jié)果調(diào)度輔助天線指向干擾源，提高輔助天線的干噪比用于旁瓣對(duì)消處理。

由于C波段的氣象敏感性，云雨雜波同樣會(huì)帶來(lái)噪底的大幅抬高。試驗(yàn)所采用雷達(dá)正常情況下回波噪底約66.3 dB，某次云雨回波及主瓣干擾視頻回波分別如圖1、圖2所示，云雨氣象回波噪底達(dá)到90.06 dB，壓制干擾 95.82 dB，相對(duì)正常情況均有很大幅度提高并且高于匿隱門(mén)限，所以僅根據(jù)噪底抬高情況和與匿隱回波比較判斷是否存在干擾會(huì)帶來(lái)大量虛警。

圖1 云雨氣象回波

2 波位內(nèi)/波位間兩級(jí)干擾源檢測(cè)方法

對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，云雨氣象雜波和有源壓制干擾屬于不同特性的目標(biāo)。工程試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，二者雖然都會(huì)引起噪底的抬高，但在波位內(nèi)不同俯仰方向以及波位間不同方位方向的幅度特性卻存在明顯差異。針對(duì)這些差異提出一種波位內(nèi)/波位間兩級(jí)干擾源檢測(cè)方法，在保證真實(shí)有源一壓制干擾正確檢測(cè)的同時(shí)對(duì)云雨虛警進(jìn)行濾除，具體如下。

2.1 波位內(nèi)不同俯仰方向差異分析及檢測(cè)方法

首先計(jì)算各俯仰波束的噪底并提取樣本點(diǎn)。實(shí)際工程中，當(dāng)脈沖重復(fù)周期較短時(shí)，回波視頻數(shù)據(jù)中存在很強(qiáng)的地物雜波，往往難以在不同波位指向中找到共同的噪聲區(qū)域，這里給出一種自適應(yīng)的局部區(qū)域最小最大法以計(jì)算噪底并提取樣本點(diǎn)，方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，可以有效規(guī)避地物雜波干擾，方法如下：

1) 將完整的統(tǒng)計(jì)區(qū)域均勻分成若干個(gè)子區(qū)域，計(jì)算每個(gè)子區(qū)域的幅度均值avg1；

2) 取幅度均值最小的區(qū)域，記錄最小幅度值avgmin并記錄該區(qū)域內(nèi)的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)位置；

3) 對(duì)所有統(tǒng)計(jì)子區(qū)域的幅度均值，求均值幅度avgall；

4) 比較avgmin與avgall，若二者相差較小，則采用avgall對(duì)avgmin進(jìn)行平均修正以增加準(zhǔn)確性，否則直接輸出avgmin作為噪底；

5) 對(duì)最小幅度均值區(qū)域的統(tǒng)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行排序，選擇最大的N個(gè)點(diǎn)作為樣本點(diǎn)。

通過(guò)上述方法統(tǒng)計(jì)噪底幅度，可以較為有效地規(guī)避固定雜波對(duì)噪底計(jì)算的影響。獲得所有俯仰波束噪底幅度后，統(tǒng)計(jì)噪底幅度最大的俯仰波束號(hào)及其對(duì)應(yīng)的噪底幅度值，然后去掉當(dāng)前最大俯仰波束及其相鄰波束，計(jì)算得到其他俯仰波束的噪底均值。然后通過(guò)俯仰波束間的幅度關(guān)系，對(duì)云雨雜波和真實(shí)干擾進(jìn)行分辨。

由于壓制干擾來(lái)自于干擾機(jī)，為點(diǎn)干擾，所以不同俯仰波束的幅度關(guān)系服從于俯仰接收波束方向圖，如圖3所示；而云雨雜波為體目標(biāo)，不同俯仰波束的幅度關(guān)系會(huì)受到不同云雨?duì)顩r時(shí)云層或雨滴在俯仰空間的分布影響，導(dǎo)致表現(xiàn)出來(lái)的俯仰波束幅度不滿足接收方向圖情況。所以可以結(jié)合方向圖通過(guò)以下幾個(gè)原則進(jìn)行分辨：

圖3 俯仰接收波束方向圖

1) 最大幅值波束與間隔1個(gè)波束幅度差大于a1；

2) 最大幅值波束與間隔2個(gè)波束幅度差大于a2；

3) 最大幅值波束與去掉自身及相鄰波束的其余波束幅度均值的幅度差大于a3，其中a1≤a3≤a2；

最后與匿隱波束噪底幅度值進(jìn)行比較，大于適當(dāng)?shù)哪潆[門(mén)限以區(qū)分主瓣與副瓣干擾。

2.2 波位間不同方位方向差異分析及檢測(cè)方法

通過(guò)波位內(nèi)不同俯仰波束間的幅度關(guān)系，可以濾除大部分云雨雜波干擾，但由于云雨雜波的復(fù)雜多樣性，以及實(shí)際工程中為了盡可能提高真實(shí)干擾源的檢測(cè)概率對(duì)門(mén)限a1、a2預(yù)留適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，仍然可能會(huì)存在云雨雜波滿足波位間幅度關(guān)系情況出現(xiàn)虛警檢測(cè)。

由于云雨雜波的體目標(biāo)特性，在方位向較為均勻散布；而干擾機(jī)發(fā)出的壓制干擾信號(hào)同樣符合方位向不同波位間的方向圖特性。所以可以通過(guò)建立方位向波束間的噪底圖，對(duì)云雨雜波進(jìn)行進(jìn)一步的濾除，具體方法如下：

1) 對(duì)一個(gè)波位的所有脈沖，按照2.1節(jié)中給出的方法提取樣本點(diǎn)后，對(duì)干擾源指向角度進(jìn)行測(cè)量，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果，若俯仰角和方位角均小于σ，則認(rèn)為該脈沖檢測(cè)結(jié)果有效。無(wú)論是否檢測(cè)到干擾，均統(tǒng)計(jì)該波位所有有效脈沖的噪底均值；

2) 通過(guò)噪底均值構(gòu)建噪底圖，設(shè)定最大和最小容許范圍，對(duì)噪底圖進(jìn)行比例更新；

3) 統(tǒng)計(jì)波位內(nèi)有效檢測(cè)脈沖情況，當(dāng)有效檢測(cè)脈沖數(shù)多于總脈沖數(shù)的r%時(shí)，將波位噪底均值與當(dāng)前噪底圖進(jìn)行比較，若波位噪底均值與噪底圖幅度差值大于門(mén)限a4，則最終判斷為真實(shí)壓制干擾，輸出測(cè)角結(jié)果。

2.3 方法流程圖

綜上所述，波位內(nèi)/波位間兩級(jí)干擾源檢測(cè)方法流程圖如圖4所示。

圖4 波位內(nèi)/波位間兩級(jí)干擾源檢測(cè)方法流程圖

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

采用某型號(hào)C波段雷達(dá)在對(duì)云雨氣象下采集數(shù)據(jù)，分析所提方法對(duì)云雨雜波虛警抑制效果；同時(shí)在沒(méi)有云雨的氣象環(huán)境下滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件放置干擾機(jī)，采集干擾數(shù)據(jù)，分析所提出的方法在滿足云雨雜波虛警檢測(cè)的情況下，對(duì)真實(shí)干擾信號(hào)的正確檢測(cè)能力。雷達(dá)在方位向采用相掃方式覆蓋-45°～45°范圍；俯仰向采用同時(shí)8個(gè)俯仰波束，覆蓋約6.4°范圍。

3.1 云雨雜波虛警抑制情況分析

采集的云雨雜波數(shù)據(jù)在不同的俯仰波束的噪底幅度如圖5所示，圖中每條線為1次檢測(cè)樣本，橫軸對(duì)應(yīng)不同的俯仰波束號(hào)，可知，云雨雜波在空間上具有較為明顯的“云層雨層”特征，在1～4波束具有較大的幅度值，在2、3波束達(dá)到最大值，隨后逐漸降低；但即使在具有最大幅度值的1～4波束，幅度值也變化較為平緩。

圖5 云雨回波不同俯仰波束噪底幅度

按照2.1節(jié)波位內(nèi)方法，幅度差a3滿足a1≤a3≤a2，試驗(yàn)所選用的雷達(dá)理論上a1約為11.5 dB、a2約為35 dB；為同時(shí)滿足對(duì)真實(shí)干擾的正確檢測(cè)，試驗(yàn)中根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置：a1=8 dB，a2=a3=18 dB。最大幅值與去相鄰波束均值幅度差情況如圖6所示，可知根據(jù)該方法可以去除大多數(shù)虛假點(diǎn)，圖6中仍有個(gè)別樣本滿足大于閾值a3要求從而給出虛警，實(shí)際虛警概率為3.92%。間隔1個(gè)波束幅度差與間隔2個(gè)波束幅度差情況分別如圖7和圖8所示。可知由于云雨氣象的多樣性，方法對(duì)云雨雜波虛警有一定程序的辨別效果，但僅僅采用該方法仍然存在虛警情況，通過(guò)間隔1個(gè)和2個(gè)波束幅度差檢測(cè)虛警率分別為22.55%和8.82%。綜合使用上述波位內(nèi)方法，檢測(cè)虛警率降為0.98%。

圖6 云雨回波最大幅度與去相鄰波束均值幅度差

圖7 云雨回波最大幅度與間隔1個(gè)波束幅度差

圖8 云雨回波最大幅度與間隔2個(gè)波束幅度差

進(jìn)一步采用2.2節(jié)波位間方法構(gòu)建噪底圖，樣本最大波束幅值與噪底圖情況如圖9所示。由于云雨在方位向遍布的特性，在方位向波位間幅值變化較小，最大幅度值與噪底圖差異較小，設(shè)置適當(dāng)?shù)拈T(mén)限a4便可以對(duì)云雨虛警進(jìn)一步濾除。試驗(yàn)中，單獨(dú)使用波位間方法虛警概率為3.92%，綜合使用波位內(nèi)和波位間方法，所有虛警被全部濾除，試驗(yàn)虛警概率情況總結(jié)如表1所示。

圖9 云雨回波最大幅度與噪底圖關(guān)系

表1 云雨氣象虛警概率

3.2 真實(shí)干擾正確檢測(cè)情況分析

滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件放置干擾機(jī)并采集數(shù)據(jù)，為了與云雨雜波在波位內(nèi)和波位間的情況進(jìn)行對(duì)比分析，提取每次雷達(dá)相掃時(shí)主瓣指向干擾機(jī)的波位數(shù)據(jù)并分析。數(shù)據(jù)在不同的俯仰波束的噪底幅度如圖10所示，由于干擾機(jī)放置在地面，而波束最低仰角中心指向干擾機(jī)，所以波束1噪底幅度最大，而其余波束按照俯仰向方向圖迅速降低，與云雨雜波的緩變形成了鮮明對(duì)比。按照2.1節(jié)波位內(nèi)方法，最大幅值與去相鄰波束均值幅度差情況如圖11所示，間隔1個(gè)波束幅度差與間隔2個(gè)波束幅度差情況如圖12和圖13所示。與圖6、圖7、圖8相比，幅度完全超過(guò)了云雨雜波虛警檢測(cè)設(shè)定的a3、a1、a2門(mén)限，采用波位內(nèi)方法即可以將真實(shí)干擾完全正確檢測(cè)，說(shuō)明采用本文方法在抑制云雨雜波虛警的同時(shí)，并不影響真實(shí)干擾的檢測(cè)。

圖10 干擾回波不同俯仰波束噪底幅度

圖11 干擾回波最大幅度與去相鄰波束均值幅度差

圖12 干擾回波最大幅度與間隔1個(gè)波束幅度差

波位間分析則如圖14所示，不同于云雨雜波的遍布特性，波束在方位向掃描時(shí)，指向干擾機(jī)時(shí)幅度會(huì)迅速增加，遠(yuǎn)離干擾機(jī)時(shí)幅值會(huì)迅速降低。波束指向干擾機(jī)時(shí)幅值與噪底圖比較有明顯差異，按照云雨虛警檢測(cè)設(shè)置的門(mén)限a4，也可以正確檢測(cè)出真實(shí)干擾。

圖13 干擾回波最大幅度與間隔2個(gè)波束幅度差

圖14 干擾回波最大幅度與噪底圖關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出從波位內(nèi)到波位間兩級(jí)干擾源檢測(cè)方法，通過(guò)大量真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)方法的有效性進(jìn)行了較為充分的驗(yàn)證，方法在工程中易于實(shí)現(xiàn)，用于某型號(hào)產(chǎn)品并取得了較好的效果，一定程度上提高了C波段雷達(dá)在惡劣云雨氣象環(huán)境下的適用性。由于C波段雷達(dá)對(duì)云雨氣象的敏感性，在復(fù)雜氣象條件下濾波后云雨雜波會(huì)占據(jù)更多頻道，對(duì)于邊緣頻道目標(biāo)的檢測(cè)、測(cè)速帶來(lái)很大困難，后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)C波段雷達(dá)在云雨氣象下的目標(biāo)檢測(cè)及虛假目標(biāo)抑制方面開(kāi)展研究。